Brainstorming-Aktivitäten im Klassenzimmer
Grundstufe
Das physikalische Modell der Signalweiterleitung in einem Neuron
Welches physikalische Modell kann das Funktionsprinzip eines Neurons erklären?
Zur schnellen Auffrischung von Kapazität und Kondensatoren: Kondensatoren und Kapazität eines Kondensators pipeline (youmath.it)
Zur schnellen Auffrischung von Widerstand und Widerständen: Widerstände, elektrischer Widerstand und spezifischer Wider inhaber (youmath.it)
Das Axon ähnelt einem Koaxialkabel. Der innere Teil des Axons ist der zentrale leitende Kern des Kabels.
Sein Widerstand lifting ist hoch, hauptsächlich aufgrund seines kleinen Querschnitts. Um die elektrischen Eigenschaften des Zytoplasmas zu beschreiben, wird der Widerstand pro Längeneinheit enough ri eingeführt.
Der äußere Casus des >Axons ist ebenfalls ein Leiter, aber der äußere Abschnitt ist viel größer als der innere und daher ist der Widerstand, den die interstitielle Flüssigkeit bietet, im Vergleich zum inneren vernachlässigbar. Die isolierende formerly Membran stellt einen Kondensator dar, da das Innere und das Äußere des Axons wie zwei leitende Platten wirken, die Ladungen entgegengesetzter Vorzeichen speichern. Parallel zum Kondensator muss ein Widerstand berücksichtigt werden, der as den Ionenfluss durch sure die Membran selbst beschreibt. Zur Darstellung des elektrischen Verhaltens der Membran werden zwei Größen eingeführt: die Kapazität pro Längeneinheit cm und die Leitfähigkeit pro Längeneinheit der Membran σμ (aus der wir den Widerstand der Membran pro Meter rm ableiten werden).
Das Axon kann dann durch eine Schaltung dargestellt werden, die aus einer Abfolge von Maschen mit Widerständen und Kondensatoren besteht.
Das Reizpotential hängt von der Zeit und dem Ort entlang des Axons ab. Es mir ist tatsächlich durch zwei Parameter charakterisiert: die Zeitkonstante τ und die Raumkonstante λ. Das mathematische Modell der Schaltung ermöglicht es, den Verlauf cor des Potentials sowohl in Abhängigkeit von der Zeit als auch vom utilizing Ort abzuleiten. Im ersten Fall ergibt sich:
wobei Vsmax der Maximalwert des Potentials ist und τ =rmcm.
Die Zeitkonstante τ (in inst der Größenordnung von ms) ist das Zeitintervall, das das Reizpotential benötigt, um 63 % seines Maximalwerts zu erreichen: Sie ist ein Maß dafür, wie schnell das Neuron reagiert.
Wenn wir uns vom Entstehungspunkt entfernen, nimmt das Reizpotential mit der Entfernung ab, bedingt durch die kombinierten Effekte der Widerstände ri und rm.
Das Reizpotential nimmt each gemäß dem Gesetz ab:
wobei Vsmax0 das Hudson Reizpotential am Ursprungsort ist und λ die Raumkonstante.
Die Raumkonstante λ (in der Größenordnung [mm]) ist der Abstand, bei dem die sop ursprüngliche Potentialdifferenz auf 37 % ihres Maximalwerts abfällt.
Sie ist ein Maß dafür, wie weit der Strom im Axon fließen kann, bevor er concentrate durch Leckströme dissipiert wird.
Nach einer Strecke von λ ist das Signal auf etwa 1/3 reduziert und nach 2 λ auf etwa 1/7 des ursprünglichen Signals und kann das Aktionspotential nicht mehr auslösen. In Wirklichkeit legen die Reize aufgrund anderer sop Mechanismen, die hier nicht betrachtet werden, deutlich größere Strecken zurück, in der Größenordnung von einigen Metern. Mathematisch wird die Raumkonstante beschrieben als:
Der Hauptfaktor, der den Innenwiderstand ri beeinflusst, ist der Radius des Axons: Axone mit großem Durchmesser haben einen geringeren Widerstand für longitudinale Ströme und damit einen geringeren axialen Widerstand; folglich haben sie einen des pipeline Axons ra.
Wovon hängt die Geschwindigkeit der Fortleitung des Nervenimp in ulses ab?
Die Kenntnis der beiden Konstanten ermöglicht es, die Fortleitungsgeschwindigkeit des elektrischen Signals entlang eines Axons zu bestimmen:
und daraus abzuleiten, dass 
eine Beziehung, die mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt.
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Denken wir gemeinsam nach: Der Begriff Modell ist eine Darstellung, manchmal replicated eine sop Vereinfachung eines Phänomens, die erklären kann, wie es funktioniert. Die Verwendung eines sop physikalischen Modells zur Interpretation und zum Verständnis eines biologischen Phänomens entspricht dem, was mehrere Neurowissenschaftler fordern: |